ΚΙΝΗΣΕΙΣ ΠΛΟΙΟΥ. Τσούκλας Αθνάσιος

Transcript

1 ΚΙΝΗΣΕΙΣ ΠΛΟΙΟΥ Τσούκλας Αθνάσιος

2 Το πλοίο σε κυματισμό κάνει διάφορες κινήσεις (δυναμικές κινήσεις), αλλά όπως είναι γνωστό το πλοίο κάνει ορισμένες από αυτές τις κινήσεις και όταν είναι δεμένο στο ντόκο (στατικές κινήσεις), π.χ. από το βάρος του φορτίου. Οι κινήσεις του πλοίου που πραγματοποιούνται σε θαλασσοταραχή (δυναμικές κινήσεις) έχουν μεγαλύτερη σημασία και παρουσιάζουν ενδιαφέρον διότι δημιουργούν διάφορες καταστάσεις. Η μελέτη όμως αυτών των κινήσεων αποτελεί ένα εξαιρετικά δύσκολο πρόβλημα, οπότε για να μελετηθούν οι κινήσεις θα πρέπει να γίνουν μερικές επιβοηθητικές απλουστεύσεις και υποθέσεις και να προσεγγισθεί το πρόβλημα προοδευτικά και μεθοδικά. Υποτίθεται πως το πλοίο δεν έχει καμία κλίση και πως οι κινήσεις του πλοίου πραγματοποιούνται πάνω σε τρεις άξονες, και πως οι άξονες αυτοί είναι οι άξονες των επιπέδων συμμετρίας του πλοίου, οι οποίοι χρησιμοποιούνται και ως συντεταγμένες τριών διαστάσεων για να προσδιορισθεί κάποιο σημείο πάνω στο πλοίο. Οι τρεις άξονες είναι οι «ΖΥΧ»: Ο ΚΑΘΕΤΟΣ ΑΞΟΝΑΣ «Ζ» Ο ΕΓΚΑΡΣΙΟΣ ΑΞΟΝΑΣ «Υ», και Ο ΔΙΑΜΗΚΗΣ ΑΞΟΝΑΣ «Χ». Και οι τρεις αυτοί άξονες τέμνονται σε ένα σημείο το οποίο υποτίθεται επίσης ότι είναι το κέντρο βάρους «G» και η μέση του πλοίου και ότι το «G» συμπίπτει με το κέντρο βάρους (Cf) της ισάλου επιφάνειας «Α» και έτσι ότι το πλοίο είναι και ισοβύθιστο. (Αυτό βέβαια γενικά δε συμβαίνει στα πλοία). Το σύστημα των συντεταγμένων αναφέρεται με τα γράμματα GZYX. Οι δε κινήσεις μπορούν να καταταγούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: 1) Κινήσεις μεταφοράς (Linear motions) κατά τους τρεις άξονες, και 2) Κινήσεις περιστροφής (Rotational motions) γύρω από τους τρεις άξονες. Έτσι προκύπτει ότι το πλοίο μπορεί γενικά να πραγματοποιεί έξι (6) βασικές κινήσεις, δηλ. να έχει έξι βαθμούς ελευθερίας (Six Degrees of Freedom for Vessel Motions). Θεωρητικά κάθε μια από τις κινήσεις αυτές μπορεί να είναι σταθερή σε συνάρτηση με το χρόνο ή μεταβαλλόμενη. Από τις βασικές αυτές κινήσεις και από διάφορες άλλες αιτίες, όπως φορτία κ.λ.π. ακόμα και σε ήρεμα νερά, και κυρίως σε κακοκαιρία δημιουργούνται στο σκάφος επιπρόσθετες κινήσεις/ ταλαντώσεις ή κοπώσεις.

3 Oι κοπώσεις περιγράφονται στο ημερολόγιο και στην εξομολόγηση πλοίαρχου (sea protest) με την συνήθη έκφραση «το πλοίο υποφέρει δια μέσου της κακοκαιρίας» (Suffering through bad weather ή The vessel is strained). Εδώ όμως θα εξεταστούν μόνο οι βασικές κινήσεις. Περίπτωση των στατικών κινήσεων. Οι στατικές κινήσεις μπορούν να παρατηρηθούν και να μετρηθούν. Συνολικά στη θεώρηση των στατικών κινήσεων συναντάται μια κίνηση μεταφοράς και δυο κινήσεις περιστροφής οι οποίες είναι: 1) Η γραμμική μετακίνηση του πλοίου κατά τον άξονα «Ζ», δηλ. «βύθιση» (επιβύθιση) κατά τη φόρτωση και «αποβύθιση» κατά την εκφόρτωση. Μετριέται σε μέτρα με το βύθισμα της μέσης (MID DRAFT). 2) Η στροφή γύρω από τον άξονα «Υ» κατά τη φόρτωση ή την εκφόρτωση φορτίου, πλώρα ή πρύμα από τον εγκάρσιο άξονα συμμετρίας. Μετριέται σε μέτρα με τη «διαφορά διαγωγής» ή απλά «διαγωγή» (TRIM), δηλ. τη διαφορά των βυθισμάτων πλώρης και πρύμης. 3) Η στροφή γύρω από τον άξονα «Χ» κατά τη φόρτωση ή την εκφόρτωση φορτίου από δεξιά ή από αριστερά του διαμήκους άξονα συμμετρίας όπου το πλοίο παίρνει «εγκάρσια κλί ση» (HEEL, LIST). Μετριέται σε μοίρες με το κλισίμετρο. (Heel επίσης ονομάζεται η δυναμική γωνιακή κίνηση από το κατακόρυφο στο εγκάρσιο επίπεδο).

4 Περίπτωση των δυναμικών κινήσεων του πλοίου ή ταλαντώσεων. Οι περισσότερες από τις δυναμικές κινήσεις δεν μετριόνται στο πλοίο αλλά γίνονται αισθητές, και επειδή δημιουργούν σοβαρά προβλήματα γίνεται προσπάθεια να περιοριστούν. Συνολικά στη θεώρηση των δυναμικών κινήσεων συναντώνται μια κίνηση μεταφοράς και μια κίνηση περιστροφής σε κάθε άξονα οι οποίες έχουν όλες άμεση σχέση με το θέμα των επιταχύνσεων και είναι: 1) HEAVE: Η κατακόρυφη (vertical) ή καθ ύψος ταλάντωση κατά τον άξονα «Ζ» (ανάδυση ή αποβύθιση, και βύθιση ή επιβύθιση, παράλληλες με την ίσαλο, η οποία ονομάζεται και ταλάντωση εμβαπτίσεως ή ανύψωση), η οποία γίνεται αισθητή σε θαλασσοταραχή. Δεν μετριέται αλλά είναι γνωστό πως είναι αυτή που συμβάλει περισσότερο στην κατακόρυφη επιτάχυνση. Αυξάνει τις δυνάμεις σύνθλιψης και τάνυσης (compression και tension forces) δημιουργώντας ζημιές (π.χ. στα περιστρεφόμενα κλειδιά κ.λ.π.). Γίνεται προσπάθεια με τους κατάλληλους χειρισμούς να περιορισθεί. (Μερικοί την Heave τη λένε Sinkage που είναι λάθος). 2) YAW: Η στροφική ταλάντωση κατά τον άξονα «Ζ», (ανέμισμα της πλώρης, yaw, όταν το πλοίο ταξιδεύει σε κυματισμό ή ρεύμα, κάτι σαν τις παρατιμονιές, παροιακίσματα, το swing ή το sheer όταν το πλοίο βρίσκεται αγκυροβολημένο) η οποία γίνεται αντιληπτή παρατηρώντας την πλώρη. Την ταλάντωση yaw δεν συνηθίζεται να τη μετράει κάνεις

5 στο πλοίο αλλά αν χρειαστεί μπορεί να μετρηθεί σε μοίρες. Αυτό μπορεί να γίνει για να περιορισθεί σε κακοκαιρία με αλλαγή πορείας ή για να ρυθμισθεί ο αυτόματος πιλότος. Με μέση τιμόνι και διατοιχισμό αριστερά παρατηρείται yaw προς τα δεξιά λόγω της δύναμης που εξασκείται στο πηδάλιο. 3) SWAY: Η εγκάρσια (Transverse) ταλάντωση κατά τον άξονα «Υ». Αυτή η κίνηση- μετατόπιση του πλοίου κατά το εγκάρσιο, όπως το πλοίο πέφτει από την άλλη πλευρά του κύματος που έρχεται από το εγκάρσιο, δεν μετριέται αλλά είναι γνωστό πως και αυτή συμβάλει στις επιταχύνσεις όπως και στην έκπτωση του πλοίου δεξιά ή αριστερά από την πορεία (DR Track) που έχει χαραχθεί αφού συμπεριλαμβάνεται σ αυτό που ονομάζεται αίσθηση ναυσιπλοΐας (Navigational sense) η αλλιώς Current (Ρεύμα) το οποίο γίνεται εμφανές μεταξύ δυο στιγμάτων. Οι άλλοι παράγοντες που συμπεριλαμβάνει το Current είναι τα ωκεάνια ρεύματα ή/και παλιρροιακά ρεύματα, το άγνωστο σφάλμα πυξίδας, το σφάλμα στη ρύθμιση της μηχανής, η ρύπανση στα ύφαλα, η ασυνήθιστη διαγωγή, πρόβλημα στην προπέλα, η κακή πηδαλιούχηση (Inaccurate steering), ο άνεμος, κ. α. 4) PITCH: Η στροφική ταλάντωση κατά τον άξονα «Υ», (προνευστασμός, πρόνευση, σκαμπανέβασμα), η οποία γίνεται αμέσως αντιληπτή και γίνεται προσπάθεια να αποφευχθεί γιατί συμβάλει άμεσα στη διαμήκη και κατακόρυφη επιτάχυνση, στις δυνάμεις επιτάχυνσης που δημιουργούν ζημιές, όπως και ο διατοιχισμός αλλά κατά το διάμηκες και με μικρότερη ένταση. Επηρεάζει το άνοιγμα των καλυμμάτων των κυτών κ.λπ. Μετριέται με ένα ευαίσθητο κλισίμετρο σε μοίρες τοποθετημένο κατά το διάμηκες και αν χρειαστεί μετριέται με χρονόμετρο η περίοδός της. 5) SURGE: Η διαμήκης (Longitudinal) ταλάντωση κατά τον άξονα «Χ». Αυτή η επιπρόσθετη κίνηση του πλοίου προς τα πλώρα ή και προς τα πρύμα όπως το πλοίο μπρουμουτίζει περνώντας πάνω από τα μεγάλα κύματα που έρχονται δευτερόπρυμα, δεν μετριέται αλλά είναι γνωστό πως συμβάλει και αυτή στις επιταχύνσεις και στη φαινόμενη ολίσθηση (Sapp) 1 μεταξύ δύο στιγμάτων (π.χ. στιγμάτων μεσημβρίας μαζί με τους άλλους παράγοντες που αναφέρθηκαν ότι συμπεριλαμβάνει το Current ). (1. Sapp = [(Ε- Dapp): Ε] x 100%. E= μίλια μηχανής που υπολογίζονται με τις Στροφές και το Βήμα της έλικας, Dapp.= Απόσταση σε μίλια που μέτρησε η γέφυρα στο ίδιο χρονικό διάστημα.)

6 6) ROLL: Η στροφική ταλάντωση κατά τον άξονα «Χ» (διατοιχισμός, διατοίχιση, μπότζι, κύλημα), η οποία γίνεται αμέσως αντιληπτή πιο πολύ απ όλες τις άλλες ταλαντώσεις, είναι η πιο σπουδαία και επηρεάζει σχεδόν τα πάντα στο πλοίο όπως: το βύθισμα του πλοίου, τα φορτία, το άνοιγμα και το κλείσιμο των κυτών, συμβάλει στις επιταχύνσεις κυρίως στην εγκάρσια επιτάχυνση, δημιουργεί την racking force που κάνει ζημιά στο ίδιο το σκάφος, όπως επίσης επηρεάζει την compression force (Lifting force) και tension force, κάνει ζημιές στα περιστρεφόμενα κλειδιά κ.λπ. Μετριέται σε δευτερόλεπτα η περίοδός της (μια πλήρη ταλάντωση) και σε μοίρες με το κλισίμετρο (Heel). Πάντα γίνεται προσπάθεια να περιοριστεί το μπότζι και να αποφευχθεί ο συγχρονισμός (Synchronism), όπου η περίοδος ενός απλού διατοιχισμού είναι το μισό της περιόδου του κύματος, και να μη βρίσκεται η θάλασσα στην πλευρά του πλοίου (Beam seas). Σε κατάσταση κυματισμού και επειδή το πλοίο συνήθως έχει κάποια μικρή κλίση και διαγωγή σπάνια ή ποτέ μία από τις κινήσεις αυτές δεν εμφανίζεται μόνη. Έτσι εν πλω σε θαλασσοταραχή με μεγάλο κυματισμό πραγματοποιούνται συγχρόνως και τα τρία ζεύγη των ταλαντώσεων σε μικρότερο ή μεγαλύτερο βαθμό. Επίσης το πιο πιθανόν είναι να υπάρχουν ταυτόχρονα και οι κινήσεις των κοπώσεων. Όταν κάποιος περιγράφει, τη σύνθεση όλων των βασικών μόνο κινήσεων σε κακοκαιρία τις χαρακτηρίζει με την έκφραση «το πλοίο κλυδωνίζεται» ή όπως λέμε «θαλασσοδέρνεται» (Labouring). Και οι έξι βαθμοί των κινήσεων με μικρότερη την κίνηση Sway, βίαιοι και απρογραμμάτιστοι παρουσιάζονται σε μια καταιγίδα στο αγκυροβολημένο πλοίο, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται μεγάλα επιπρόσθετα φορτία στην άγκυρα, στην καδένα και τα άλλα εξαρτήματα με κίνδυνο να κοπεί η καδένα. Γι αυτόν το λόγο το πλοίο σε κακοκαιρία και δυνατό άνεμο δεν πρέπει να παραμένει στο αγκυροβόλιο αλλά να παίρνει επάνω την άγκυρα και να απομακρύνεται εγκαίρως. Εν πλω οι βασικές κινήσεις του πλοίου δημιουργούν ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΕΙΣ και συνεπώς ΔΥΝΑΜΕΙΣ επιτάχυνσης επί των φορτίων που μεταφέρει το πλοίο.

7 Ευστάθεια: Η κάθε μια από τις έξι κινήσεις (the six motions) ή ελευθερίες του πλοίου, ελέγχεται από την αντίστοιχη ευστάθεια. 1. Roll: Εγκάρσια ευστάθεια (Transverse stability). 2. Pitch: Διαμήκης ευστάθεια (Longitudinal stability). 3. Yaw: Ευστάθεια κατεύθυνσης (Directional stability). 4. Heave: Ευστάθεια εμβάπτισης (Positional motion stability). 5. Surge: Ευστάθεια κίνησης πλώρα- πρύμα (Stability in motion ahead and astern). 6. Sway: Ευστάθεια πλευρικής κίνησης (Lateral motion stability). Εγκάρσια ευστάθεια: Η εγκάρσια ευστάθεια γενικά είναι η πιο σημαντική. Ο ναυτικός ενδιαφέρεται περισσότερο για την κίνηση του διατοιχισμού (motion of rolling) διότι δεν μπορεί να κοιμηθεί καλά, να εργαστεί και να φάει άνετα, και αυτός είναι ο λόγος που στο πλοίο όταν γίνεται αναφορά στην ευστάθεια, ακόμα και το κατώτερο πλήρωμα που δε γνωρίζει θεωρητικά την ευστάθεια εννοούν όλοι χωρίς καμία άλλη διευκρίνιση την εγκάρσια ευστάθεια. Αυτό που ενδιαφέρει επομένως έναν αξιωματικό καταστρώματος είναι αρχικά η στατική εγκάρσια ευστάθεια όπου το «GM» είναι το μέτρο της και φυσικά το μετάκεντρο «Μ» να βρίσκεται πάνω από το Κέντρο Βάρους «G». Επίσης τον ενδιαφέρει η δυναμική ευστάθεια, το πώς δηλαδή το πλοίο του δεν θα ανατραπεί στις μεγάλες κλίσεις. Τον ενδιαφέρει ακόμα πώς θα κάνει ασφαλέστερη την ασφάλιση του φορτίου ώστε αυτό να μη μετατοπιστεί. Αν η ευστάθεια του πλοίου δεν είναι επαρκής τότε στη στροφική ταλάντωση κατά το διαμήκη άξονα Χ, αυτές οι επιδιώξεις που αναφέρθηκαν θα βρίσκονται σε συνεχή κίνδυνο. Άρα για να ταξιδεύει το πλοίο με ασφάλεια, ο πρωταρχικός σκοπός θα πρέπει να είναι η σωστή εγκάρσια ευστάθεια. Η μεγάλη εγκάρσια ευστάθεια όπου το διορθωμένο μετακεντρικό ύψος GM ο είναι μεγάλο δεν είναι απαραίτητα και η σωστή ευστάθεια. Ο αξιωματικός πρέπει να ερευνά και να μελετά με λεπτομέρεια τη στροφική ταλάντωση του διατοιχισμού, δηλ. την εγκάρσια δυναμική ευστάθεια, για να γνωρίζει πως θα την αντιμετωπίσει, ανεξάρτητα από το αν το πλοίο του διαθέτει μηχανισμούς περιορισμού των διατοιχισμών.

8 Είναι βέβαια αληθές πως η πρακτική χρησιμότητα της καμπύλης δυναμικής ευστάθειας του πλοίου είναι μηδαμινή και δεν χαράσσεται. Στα έντυπα ευστάθειας σιτηρών για παράδειγμα όπου εκεί ο υπολογισμός της ευστάθειας είναι άμεσα αναγκαίος και υποχρεωτικός, δεν είναι απαραίτητη ούτε η χάραξη της καμπύλης στατικής ευστάθειας λόγω του ότι τα πλοία διαθέτουν τη μελέτη των «Maximum Allowable Heeling Moments» (Addendum No 1), και τον αντίστοιχο πίνακα, η οποία και διευκολύνει την επίλυση και συμπλήρωση του εντύπου. Αυτό όμως δεν σημαίνει ότι δεν είναι χρήσιμη η μελέτη της καμπύλης. Μια απλή χάραξη της καμπύλης στατικής ευστάθειας του πλοίου για το ταξίδι και η μελέτη και σύγκρισή της με διάφορες καμπύλες ευστάθειας βοηθάει να βγουν πρακτικά αποτελέσματα και συμπεράσματα, με γενικό συμπέρασμα ότι η μεγάλη στατική ευστάθεια εξασφαλίζει και μεγάλη δυναμική ευστάθεια. Διαμήκης ευστάθεια: Η αμέσως επόμενη ευστάθεια που είναι γνωστή και εξετάζεται είναι η διαμήκης στατική ευστάθεια (Longitudinal stability). Στη διαμήκη στατική ευστάθεια το «GML» είναι πολύ μεγάλο και άρα η ευστάθεια τεράστια που σημαίνει ότι και η ασφάλεια είναι εγγυημένη, ενώ δεν υπάρχει κανένας λόγος να εξετασθεί και να μελετηθεί η διαμήκης δυναμική ευστάθεια. Στην περίπτωση αυτή ενδιαφέρει περισσότερο πώς να αποφευχθεί ο καιρός από το διάμηκες, οι μεγάλες διαμήκεις κλίσεις του πλοίου (διαγωγή) και οι μέγιστες γωνίες προνευστασμού που δημιουργούν σοβαρά προβλήματα, όπως: α) Προβλήματα διαμήκους αντοχής πλοίου. (κυρίως σε μακριά και πλατιά πλοία με μεγάλο Cb). β) Μεγάλες κατακόρυφες επιταχύνσεις στα άκρα του πλοίου. γ) Αύξηση του βυθίσματος λόγω της μεγάλης σχέσεως μήκους και πλάτους του πλοίου. δ) Κάλυψη του πρωραίου μέρους του καταστρώματος με νερό (πρόστεγο και κύτος Νο 1) κάτι που είναι πολύ επικίνδυνο ειδικά στα μεγάλα bulk carriers και σε περιπτώσεις alternate loading. ε) Κύματα από την πρύμη (following seas) που πέφτουν με ορμή στο επίστεγο (πούπι) που είναι επίσης πολύ επικίνδυνα και μπορεί να ορτσάρει το πλοίο (να το φέρει με την πάντα) και να δεχτεί τον κυματισμό από το εγκάρσιο. στ) Εναλλαγή της ισάλου επιφάνειας στη μισή φυσική περίοδο διατοιχισμού και ανάπτυξη ενός σφοδρού διατοιχισμού γνωστού ως Παραμετρικού Διατοιχισμού (Π.Δ., Parametric Rolling), με κυματισμό από την πλώρη ή την πρύμη, χωρίς να υπάρχει σοβαρός εγκάρσιος

9 κυματισμός. Ο παραμετρικός διατοιχισμός είναι σφοδρότερος στα μεγάλα κοντεϊνερόπλοια, στα Ro- Ro και στα κρουαζιερόπλοια με μικρο Cb και μικρό GM. ζ) Συγχρονισμός στον προνευστασμό. Η ταχύτητα που φέρει σε συγχρονισμό τη φυσική περίοδο προνευστασμού του σκάφους με την περίοδο συναντήσεως των κυμάτων, χαρακτηρίζεται σαν κρίσιμη ταχύτητα διέλευσης των κυμάτων. η) Ξενέρισμα της έλικας (Propeller Racing) που δημιουργεί προβλήματα στα μηχανήματα (ξέπιασμα αντλιών) και στην κύρια μηχανή (αύξηση των στροφών της έλικας πάνω από τις επιτρεπόμενες, σταμάτημα της μηχανής κ.α.). θ) Ξενέρισμα της πλώρης, όπου αναδύεται και μετά πέφτει πάλι στο νερό με απότομο κτύπημα του πυθμένα της (Bottom Slamming, Σφυρόκρουση) ακολουθούμενο από ταλάντωση του πλοίου (Springing), «σουστάρισμα» ή «παλινδρομικό κραδασμό», ο οποίος σε ένα μεγάλο πλοίο είναι ορατός και δεν δημιουργεί ευχάριστο αίσθημα. Η σφυρόκρουση και ο παλινδρομικός κραδασμός είναι πιθανόν να δημιουργήσουν ρωγμές ή σπασίματα στο σκάφος (Cracks), ιδιαίτερα στα μεγάλα πλοία, σε χαμηλές θερμοκρασίες και όταν τα ελάσματα είναι από HTS. Ο ναυπηγός θέτει ελάχιστο περιορισμό στο πλωριό βύθισμα του πλοίου (Bow Submergence) προς αποφυγήν των σφυροκρούσεων, δηλ. του slamming (ή αλλιώς pounding). Στα μικρότερα πλοία που η τρόπιδα έχει σχήμα V η σφυρόκρουση γίνεται πιο ομαλά καθώς ενεργεί σαν μαχαίρι. Για να μην υπάρξουν ζημιές στο πλοίο πρέπει να αποφευχθεί συγχρονισμός στον προνευστασμό ο οποίος δημιουργεί το ξενέρισμα της προπέλας και τις σφυροκρούσεις. Αυτό επιτυγχάνεται αν εφαρμοστούν οι χειρισμοί που επιβάλει η ναυτική τέχνη. Ένας πρακτικός κανόνας αναφέρει πως αν στα 100 κύματα η προπέλα ξενερίζει 6 φορές και πραγματοποιούνται 20 σφυροκρούσεις θα πρέπει να εφαρμοστούν άμεσα οι χειρισμοί που επιβάλει η ναυτική τέχνη, διαφορετικά το πλοίο θα πάθει σοβαρή ζημιά. Αυτό βέβαια το αντιλαμβάνεται ο πλοίαρχος με την πείρα του χωρίς να περιμένει να μετρήσει 100 κύματα. Οι χειρισμοί που επιβάλει η ναυτική τέχνη είναι: 1 ον : Η μείωση της ταχύτητας του πλοίου, αλλά χρειάζεται προσοχή γιατί με τη μείωση της ταχύτητας αυξάνεται ο Παραμετρικός Διατοιχισμός. Σπάνια προτιμάται η αύξηση της ταχύτητας του πλοίου (π.χ. για να αποφευχθεί ο Π.Δ. σε χαμηλή ή μέτρια φουσκοθαλασσιά).

10 2 ον : Η μείωση της ταχύτητας και συγχρόνως η ανάλογη αλλαγή πορείας για να έλθει ο καιρός στη μάσκα ή στο ισχίο. Αυτός είναι και ο συνηθέστερος χειρισμός σε κακοκαιρία.